EP0547404B1

EP0547404B1 - Hydraulisch angetriebene Membranpumpe mit Membranhubbegrenzung

Info

Publication number: EP0547404B1
Application number: EP92119928A
Authority: EP
Inventors: Roland Dipl.-Ing. Hessenberger; Waldemar Dipl.-Ing. Horn
Original assignee: Lewa GmbH; Lewa Herbert Ott GmbH and Co KG
Current assignee: Lewa GmbH; Lewa Herbert Ott GmbH and Co KG
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1992-11-23
Publication date: 1997-02-05
Anticipated expiration: 2012-11-23
Also published as: US5246351A; EP0547404A1; JPH05240162A; DE59208018D1; DE4141670A1; DE4141670C2

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulisch angetriebene Membranpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer bekannten Membranpumpe der gattungsgemäßen Art (DE-PS 23 33 876), die einen hydraulischen Membranantrieb aufweist und mit einer sog. freischwingenden Membran, insbesondere Kunststoffmembran, ausgeführt ist, ist eine membranlagengesteuerte Leckergänzungseinrichtung vorgesehen.
Aufgrund der Anordnung einer freischwingenden Membran entfällt eine mechanische Begrenzung des Membranhubes in Richtung Förderraum, beispielsweise mittels einer Lochplatte. Dies ermöglicht die Ausbildung eines freien, ungestörten Förderraumes, was für den Anwender eine Reihe von Vorteilen erbringt. So ergeben sich im Förderraum nur geringe Strömungsverluste, was sich bei hoher Viskosität der Förderflüssigkeit vorteilhaft auswirkt. Weiterhin ist ein derartig ausgestalteter Förderraum gut geeignet zur Förderung grobkörniger und fasriger Suspensionen. Schließlich läßt sich ein derartiger Förderraum leicht reinigen. Dies ist dann von Bedeutung, wenn die Membranpumpe auf lebensmitteltechnischem Gebiet zum Einsatz gelangen soll.
Die fehlende mechanische Abstützung der Membran im Förderraum erfordert jedoch, daß geeignete konstruktive Maßnahmen im Hydraulikraum ergriffen werden, um eine Überdehnung der Membran beim Druckhub in Richtung Förderraum zu verhindern.
Hinsichtlich der bei der bekannten Membranpumpe vorgesehenen Leckergänzungseinrichtung hat sich diejenige des membranlagengesteuerten Typs durchgesetzt. Dies bedeutet, daß die Membran selbst die Betätigung eines Steuerventils übernimmt, wobei ein von der Membran gesteuerter Steuerschieber, der im Bereich des Verbindungskanals zwischen Membranarbeitsraum und Kolbenarbeitsraum verschiebbar geführt ist, in der Saughubendstellung der Membran eine Verbindung vom Vorratsraum zum Kolbenarbeitsraum öffnet. Die Leckergänzung kann und soll nur dann erfolgen, wenn die Membran eine vorbestimmte Grenzposition am Ende des Saughubes erreicht hat.
Weitere Ausführungsformen derartiger Leckergänzungseinrichtungen von Membranpumpen sind in DE-PS 28 43 054 sowie in FR-PS 24 92 473 beschrieben.
Die Steuerung der Leckergänzung durch die Membranlage bringt im Vergleich zur druckgesteuerten Leckergänzung mit einem Schnüffelventil eine Reihe weiterer Vorteile. So können einerseits große Saughöhen überwunden werden, wobei die Saughöhe allein durch den Dampfdruck der Förderflüssigkeit und Hydraulikflüssigkeit begrenzt ist. Andererseits sind Überladungen des Hydraulikraums, wie sie bei der druckgesteuerten Leckergänzung durch Unterdruckspitzen auftreten können, ausgeschlossen. Derartige ausgeprägte Unterdruckspitzen treten vorzugsweise bei großen Hochdruckmembranpumpen zu Beginn der Saugphase auf, wenn die Flüssigkeitssäule in der Saugleitung beim Öffnen des Saugventils ruckartig beschleunigt wird. Schließlich ermöglicht die membranlagengesteuerte Leckergänzung das Anschnüffeln von Hydraulikflüssigkeit bei einem geringen Differenzdruck von beispielsweise weniger als 0,3 bar, d.h. der Absolutdruck bleibt bei etwa 0,7 bar. Dadurch kann die Gasbildung im Hydraulikraum weitgehend vermieden werden, was entsprechende Vorteile hinsichtlich der Förderleistung und der Fördergenauigkeit erbringt. Demgegenüber erfordert die druckgesteuerte Leckergänzung eine relativ hohe Einstellung des Differenzdruckes am Schnüffelventil von beispielsweise 0,6 bar, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Die dadurch bewirkte Druckabsenkung im Hydraulikraum während des Schnüffelvorgangs auf beispielsweise 0,4 bar Absolutdruck führt zu einer verstärkten Gasbildung. Dies hat eine verminderte Förderleistung und Fördergenauigkeit zur Folge.
In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß die bekannten Membranpumpen der zur Rede stehenden Art noch bestimmte Schwächen aufweisen, deren Beseitigung wünschenswert ist. So muß vor Inbetriebnahme der Pumpe dafür gesorgt werden, daß die Membran im Bezug auf den Kolben auf keinen Fall zu weit in Richtung Förderraum ausgelenkt ist. Im Hydraulikraum darf sich weiterhin nur eine vorbestimmte Menge an Hydraulikflüssigkeit befinden, da eine zu große Menge an Hydraulikflüssigkeit beim ersten ausgeführten Druckhub des Kolbens zu einer Überdehnung oder gar zum Bersten der Membran führen würde. Wenn demgegenüber eine zu geringe Menge an Hydraulikflüssigkeit vorhanden ist, wird die fehlende Flüssigkeitsmenge automatisch mittels der Leckergänzungseinrichtung am Ende des ersten Saughubes ergänzt.
Die manuelle Positionierung der Membran vor dem Start der Pumpe ist relativ aufwendig. Sie wird üblicherweise derart durchgeführt, daß eine Verbindung zwischen Hydraulikraum und Vorratsraum geschaffen wird, was beispielsweise durch Entfernen des Druckbegrenzungsventils erfolgt. Die Membran wird dann dadurch in Richtung ihres Antriebs gedrückt, daß auf der Saugseite der Pumpe Überdruck angewandt wird, der demgemäß auch die förderraumseitige Membranfläche beaufschlagt. Wenn sich dann die Membran in Richtung ihres Antriebs bewegt, wird gleichzeitig Hydraulikflüssigkeit vom Hydraulikraum in den Vorratsraum verdrängt.
Diese gesondert durchgeführte Membranpositionierung muß im Einzelfall auch nach einem längeren Stillstand der Pumpe wiederholt werden, um das Risiko zu beseitigen, daß sich die Membran, wie dies üblicherweise zu erwarten ist, während der Betriebsunterbrechung in Richtung Pumpendeckel bewegt hat. Mit einer derartigen - unerwünschten - Membranverlagerung ist immer dann zu rechnen, wenn während der Betriebspause ein Unterdruck am Saugventil oder Druckventil des Förderraums ansteht. Der zum Beispiel am Saugventil herrschende Unterdruck kann sich über das statisch nie ganz dichte Saugventil in den Förderraum sowie in den Hydraulikraum fortpflanzen und führt dann dazu, daß Hydraulikflüssigkeit, z.B. über die Kolbenabdichtung, vom Vorratsraum in den Hydraulikraum gesaugt wird.
Die beschriebene aufwendige, gleichwohl notwendige Inbetriebnahme der Membranpumpe wirkt sich besonders nachteilig bei modernen Dreifachmembranpumpen aus, bei denen die anfängliche Membranpositionierung an drei Pumpenköpfen vorzunehmen ist. Diese Membranpositionierung läßt sich zwar mit Magnetventilen, die zwischen Hydraulikraum und Vorratsraum eingebaut sind, vereinfachen. Jedoch bleibt der konstruktive und steuerungstechnische Aufwand in jedem Fall erheblich. Auch ist es nicht immer einfach, den notwendigen Überdruck auf der Saugseite der Pumpe zur Verfügung zu stellen, um die Membran in Richtung ihres Antriebes zu drücken.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Membranpumpe der gattungsgemäßen Art derart auszugestalten, daß der Membranhub in beiden Richtungen mit einfachen Mitteln funktionssicher begrenzt ist und daß die Inbetriebnahme der Pumpe ohne manuelle Vorarbeiten zur Beeinflussung der Membranlage durchgeführt werden kann.
Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Einrichtungen zur Begrenzung des Membranhubes in beiden Richtungen am ohnehin vorhandenen Steuerschieber der Leckergänzungseinrichtung vorzusehen. Hierdurch ergibt sich eine verblüffend einfache, gleichwohl funktionssichere Ausgestaltung. Gleichzeitig ist gewährleistet, daß die Pumpe in Betrieb genommen werden kann, ohne daß zum zweck der Beeinflussung der Membranlage manuelle Vorarbeiten durchgeführt werden müssen.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Membranpumpe bedient sich hinsichtlich der in beiden Hubrichtungen vorgesehenen Begrenzung des Membranweges eines doppelten bzw. kombinierten Prinzips. Dieses besteht darin, daß einerseits die Membranhubbegrenzung in der Saughubendstellung auf rein mechanische Weise, nämlich mittels der durch Stützteller und zugeordnete Pumpenkörperfläche gebildeten, der natürlichen Membrangeometrie angepaßten, nahezu spaltfreien Abstützfläche, erfolgt, während andererseits die Membranhubbegrenzung in der Druckhubgrenzstellung rein hydraulisch bewirkt wird, indem das am kolbenseitigen Ende des Steuerschiebers vorgesehene Ventilglied die hydraulische Verbindung vom Kolbenarbeitsraum zum Membranarbeitsraum unterbricht. Im letztgenannten Fall wird dann überschüssiges Hydrauliköl über das vorgesehene Druckbegrenzungsventil in den Hydraulikvorratsraum verdrängt.
Durch die Erfindung wird somit das Prinzip verwirklicht, daß auf der Basis der mittels des Steuerschiebers erfolgenden membranlagengesteuerten Leckergänzung eine membranlagengesteuerte Weg- bzw. Hubbegrenzung der Membran sowohl in Richtung Druckhub als auch in Richtung Saughub bewirkt wird. Hierbei erfolgt, wie schon dargelegt, in der Saughubendstellung der Membran eine vollkommen mechanische Membranabstützung mittels einer nahezu spaltfreien mechanischen Abstützfläche. Diese wird durch den entsprechend ausgebildeten, am membranseitigen Ende des Steuerschiebers angeordneten Stützteller in Verbindung mit der zugeordneten Pumpenkörperfläche des Membranarbeitsraumes gebildet.
In diesem Zusammenhang kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß die mechanische Abstützfläche bohrungsfrei ausgebildet ist, was sich als besonders vorteilhaft bei der Anwendung der Erfindung für Hochdruckmembranpumpen erweist.
Zweckmäßigerweise ist das zweite Steuerventil, mittels dem die hydraulische Begrenzung des Membranhubes in der Druckhubend- bzw. Grenzstellung erfolgt, als Tellerventil ausgebildet, dessen Ventilteller, sei es in Form einer Tellerscheibe, einer Tellerschale oder dgl., in der Druckhubendstellung den bzw. die Verbindungskanäle verschließt.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung kann der Steuerschieber der Leckergänzungseinrichtung, der an seinem membranseitigen Ende den hiermit fest verbundenen Stützteller aufweist, derart ausgestaltet sein, daß auch das am kolbenseitigen Ende vorgesehene Ventilglied des zweiten Steuerventils hiermit fest verbunden ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist es jedoch von Vorteil, wenn das Ventilglied des zweiten Steuerventils am einen Ende eines Ventilstößels befestigt ist, der seinerseits verschiebbar im Steuerschieber des ersten Steuerventils, koaxial zu diesem, geführt ist und mit seinem anderen Ende unter Federkraft der Membran anliegt, so daß er die Membran auf dem gesamten Membranhub abtastet.
In Verbindung mit einer derartigen Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn der Steuerschieber des ersten Steuerventils in Richtung der Membran durch eine Feder vorgespannt ist, die stärker ist als die den Ventilstößel des zweiten Steuerventils vorspannende Feder. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, daß die den Ventilstößel des zweiten Steuerventils vorspannende Feder am Steuerschieber selbst abgestützt ist.
Da es für den Steuerschieber im Gegensatz zum Ventilstößel des zweiten Steuerventils nicht erforderlich ist, daß dieser dem gesamten Hubweg der Membran folgt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Steuerschieber an seinem kolbenseitigen Ende einen Anschlag aufweist, der den Verschiebeweg des Steuerschiebers in Richtung des Membrandruckhubes begrenzt. Dadurch folgt der Steuerschieber, wenn sich die Membran aus ihrer Saughubendstellung in Richtung Druckhub bewegt, der Membran lediglich in einem bestimmten Bereich, der vorzugsweise 30 - 40 % des gesamten Membranhubes beträgt. Dies bedeutet m.a.W., daß der Steuerschieber, wenn die Membran aus ihrer Druckhubendstellung in die Saughubendstellung zurückkehrt, von der Membran lediglich auf den letzten 30 - 40 % des Saughubes betätigt bzw. gegen Federkraft zurückgeschoben wird.
Wie schon dargelegt, tastet bei derjenigen Ausführungsform, bei der das zweite Steuerventil gesondert zum ersten Steuerventil vorgesehen ist, der Ventilstößel des Ventiltellers, durch die Kraft seiner Druckfeder gestützt, die Membran auf dem gesamten Membranhub ab. Das zweite Steuerventil arbeitet völlig unabhängig vom ersten Steuerventil, d.h. es tastet die Membran auch dann noch ab, wenn die Funktion des ersten Steuerventils, z.B. durch Schmutzeinwirkung, gestört ist. Während des normalen Pumpenbetriebes, wenn die Membran in ihrem vorgegebenen Bereich arbeitet, läuft der Ventilstößel gleichsam leer mit. Verläßt die Membran jedoch den vorgesehenen Arbeitsbereich um einen bestimmten Betrag, vorzugsweise etwa 20 % vom normalen Membranhub, in Richtung Förderraum, schließt der Ventilteller den bzw. die Verbindungskanäle zwischen Kolbenarbeitsraum und Membranarbeitsraum. Damit ist die hydraulische Verbindung unterbrochen, so daß die Membran nicht weiter in Richtung Förderraum verformt werden kann. Demgemäß ist die Membran vor Überdehnungen gesichert. Die im Kolbenarbeitsraum vorhandene überschüssige Hydraulikflüssigkeit wird über das Druckbegrenzungsventil in den Hydraulikvorratsraum zurückgeschoben.
Durch die Erfindung ergibt sich somit nicht nur eine wünschenswerte Absicherung der Membran bei der Inbetriebnahme der Pumpe, sondern es wird auch aufgrund der völlig unabhängigen Arbeitsweise der beiden Steuerventile eine zusätzliche Verbeserung der Betriebssicherheit der Pumpe erzielt. Dies ist dann von wesentlicher Bedeutung, wenn das erste Steuerventil, beispielsweise durch Schmutzeinwirkung, in seiner Funktion gestört wird und dauernd in einer geöffneten Position bleibt, so daß ein unkontrolliertes Anschnüffeln von Hydraulikflüssigkeit möglich wäre. In diesem Fall verhindert jedoch das zweite Steuerventil zuverlässig einen Membranschaden, in dem es in der beschriebenen Weise einen Druckhub der Membran über die normale Endstellung hinaus unterbindet. Hierbei wird dann die überschüssige Hydraulikflüssigkeit wieder in den Vorratsraum abgeführt. Die Pumpe arbeitet hierbei lediglich mit verminderter Leistung, und es kommt zum Ansprechen des Druckbegrenzungsventils.
Das durch die Erfindung mit Sicherheit unterbundene Auftreten von Membranschäden, die üblicherweise den Austausch von Förderflüssigkeit und Hydraulikflüssigkeit bedingen, hat deswegen besondere Bedeutung, weil derartige Membranschäden erhebliche Folgekosten verursachen. Diese ergeben sich u.a. dadurch, daß der gesamte Verfahrensprozeß, in den die betreffende Membranpumpe integriert ist, sofort unterbrochen werden muß, daß aggressive Förderflüssigkeiten in den Hydraulikraum gelangen und dort erhebliche Korrosionsschäden anrichten und daß schließlich die Produktcharge, beispielsweise beim Einsatz der Pumpe im Lebensmittelbereich, durch die in den Förderraum eindringende Hydraulikflüssigkeit beeinträchtigt bzw. verdorben werden kann.
Die Bedeutung der durch die Erfindung erzielten zusätzlichen Absicherung gegen Membranschäden läßt sich dann ermessen, wenn man sich vergegenwärtigt, daß der Steuerschieber der Leckergänzungseinrichtung während eines einjährigen Dauerbetriebes ca. 10⁸ mal der Membran folgen muß, wobei schon eine einzige Fehlsteuerung des Steuerschiebers zu einem Membranschaden führen kann.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ergibt sich aus der Gestaltung des Steuerschiebers und des hierin verschiebbar geführten Ventilstößels. In der zusammengedrückten Stellung bilden nämlich die Stirnflächen dieser beiden Steuerelemente zusammen mit der zugeordneten Pumpenkörperfläche eine nahezu spaltfreie mechanische Abstützfläche, die der natürlichen Membranform angepaßt ist. Hierbei sind lediglich außerordentlich geringe Spalte von vorzugsweise maximal 0,1 bis 0,2 mm Breite vorhanden, so daß im Hinblick auf das verwendete Membranmaterial, beispielsweise PTFE, zu Recht von einer fast völlig spaltfreien Abstützfläche gesprochen werden kann. Die Membran wird in ihrer Saughubendstellung durch diese Anlagefläche mechanisch abgestützt und kann mit dem vollen Förderdruck angedrückt werden, ohne Schaden zu erleiden.
Dies ist deswegen von besonderer Bedeutung, weil in der Praxis folgende Fälle auftreten, die aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung jedoch mit Sicherheit beherrscht werden:

Die Pumpe wird aus einem Drucknetz versorgt. Der Vordruck drückt hierbei die Membran jedesmal am Ende des Saughubes, d.h. während der die Leckergänzung bewirkenden Schnüffelphase, an die Anlagefläche;
im Stillstand der Pumpe wirkt der saugseitige Vordruck dauernd auf die Membran. Aufgrund der stets vorhandenen Leckage an der Kolbenabdichtung legt sich die Membran nach kurzer Zeit an die Anlagefläche;
im Stillstand der Pumpe kann dann, wenn das Druckventil des Förderraums leicht undicht ist, der volle Förderdruck, z.B. aus einem Reaktor, auf die Membran wirken. Hierdurch legt sich die Membran ebenfalls während des Stillstands der Pumpe der Abstützfläche an.

Insgesamt werden somit durch die Erfindung bedeutsame Vorteile u.a. dahingehend erzielt, daß die Inbetriebnahme der Pumpe ohne manuelle Vorarbeiten durchgeführt werden kann und daß die Membranauslenkung sowohl im Druckhub als auch im Saughub mit einfachen Mitteln automatisch begrenzt wird. Dadurch wird eine Überdehnung oder gar ein Bersten der Membran mit Sicherheit verhindert. Aus diesem Grund ist die Membranpumpe auch sehr viel einfacher in automatisierte Prozeßabläufe integrierbar, was u.a. darauf beruht, daß aufwendige, den Prozeßablauf störende manuelle Vorarbeiten zur Beeinflussung der Membranlage entfallen. Weiterhin ist die Gefahr von Membranschäden infolge von Fehlbedienung eliminiert. Kostenträchtige Betriebsausfälle können vermieden werden.
Die Erfindung wird im folgenden in Form mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1: schematisch im Querschnitt eine Membranpumpe gemäß der Erfindung;
Fig. 2: vergrößert im Detail die membranlagengesteuerte Leckergänzungseinrichtung mit den beiden Einrichtungen zur Membranhubwegbegrenzung;
Fig. 3: schematisch im Querschnitt die Membranpumpe mit einer Membran, die sich in der einer Normalposition entsprechenden Druckhubendstellung befindet;
Fig. 4: mit einer Membran, die sich in der einer Grenzposition entsprechenden Druckhubendstellung befindet, und
Fig. 5: mit einer Membran, die sich in der Saughubendstellung befindet und hierbei ihre Anlageposition an der Abstützfläche einnimmt;
Fig. 6: die Membranpumpe in einem Störungszustand, bei dem der Steuerschieber festsitzt und die Leckergänzungsverbindung zwischen Schnüffelventil und Hydraulikraum dauernd geöffnet ist;
Fig. 7: eine abgewandelte Ausführungsform der Membranpumpe mit einer mit dem Membranarbeitsraum in Verbindung stehenden Entlüftungsbohrung und
Fig. 8: vergrößert im Detail eine weiterhin abgewandelte - vereinfachte - Ausführungsform der Membranpumpe, bei der erstes und zweites Steuerventil einstückig bzw. fest miteinander verbunden sind.

Wie aus der in der Zeichnung dargestellten ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 - 6 ersichtlich, weist die Membranpumpe eine übliche Membran 1, insbesondere aus Kunststoff, auf. Diese ist an ihrem Rand zwischen einem Pumpenkörper 2 sowie einem hieran stirnseitig lösbar festgelegten Pumpendeckel 3 eingespannt und trennt einen Förderraum 4 von einem mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Druckraum 5, der den Kolbenarbeitsraum darstellt.
Die Membranpumpe weist einen hydraulischen Membranantrieb in Form eines oszillierenden Verdrängerkolbens 6 auf, der im Pumpenkörper 2 abgedichtet zwischen dem Kolbenarbeitsraum 5 und einem Vorratsraum 7 für die Hydraulikflüssigkeit verschiebbar ist. Der Kolbenarbeitsraum 5 steht über wenigstens eine im Pumpenkörper 2 angeordnete axiale Bohrung 8 mit einem membranseitigen Druckraum 9 in Verbindung, der den Membranarbeitsraum darstellt und zusammen mit dem Kolbenarbeitsraum 5 insgesamt den Hydraulikraum bildet. Wie ersichtlich, ist der Membranarbeitsraum 9 einerseits durch die Membran 1 sowie anderersteits durch eine hintere (kolbenseitige) Kalotte 10 begrenzt. Diese hintere Begrenzungskalotte 10 wird durch die entsprechend ausgebildete Stirnfläche des Pumpenkörpers 2 gebildet und stellt einen Teil derjenigen - noch zu beschreibenden - mechanischen Abstützfläche dar, an der sich die Membran 1 am Ende des Saughubes anlegt (s. Fig. 5).
Spiegelbildlich zur kolbenseitigen Begrenzungskalotte 10 ist im Förderraum 4 eine durch die Stirnfläche des Pumpendeckels 3 gebildete vordere Begrenzungskalotte 11 gebildet. Der Pumpendeckel 3 ist in der üblichen Weise mit einem federbelasteten Einlaßventil 12 (Saugventil) sowie einem federbelasteten Auslaßventil 13 (Druckventil) versehen. Diese beiden Ventile 12, 13 stehen über einen Einlaßkanal 14 sowie einen Auslaßkanal 15 derart mit dem Förderraum 4 in Verbindung, daß das Fördermedium bei dem nach rechts gemäß Fig. 1 erfolgenden Saughub des Verdrängerkolbens 6 und damit der Membran 1 in Pfeilrichtung über das Saugventil 12 und den Einlaßkanal 14 in den Förderraum 4 angesaugt wird. Demgegenüber wird bei dem nach links gemäß Fig. 1 erfolgenden Druckhub der Membran 1 dann das Fördermedium über den Auslaßkanal 15 und das Druckventil 13 in Pfeilrichtung dosiert aus dem Förderraum 4 ausgetragen.
Um am Ende des Membransaughubes das Auftreten von Kavitation zu verhindern und für die aufgrund der Leckageverluste erforderliche Leckergänzung zu sorgen, ist eine Leckergänzungseinrichtung vorgesehen. Diese weist ein übliches federbelastetes Schnüffelventil 16 auf, das über einen Kanal 17 mit dem Vorratsraum 7 sowie über einen Kanal 18 und den Verbindungskanal 8 einerseits mit dem Kolbenarbeitsraum 5 und andererseits mit dem Membranarbeitsraum 9 in Verbindung steht.
Die Leckergänzung wird durch ein erstes Steuerventil gesteuert, das einen Steuerschieber 19 aufweist. Dieser ist achsgleich mit dem Verdrängerkolben 6 im Bereich des Verbindungskanals 8 zwischen Membranarbeitsraum 9 und Kolbenarbeitsraum 5 verschiebbar in einer entsprechenden Bohrung des Pumpenkörpers 2 geführt und steht unter der Wirkung einer Druckfeder 23 (s. Fig. 2). Die Druckfeder 23 stützt sich einerseits im Pumpenkörper 2 sowie andererseits am membranseitigen Ende des Steuerschiebers 19 ab, so daß der Steuerschieber 19 in Richtung der Membran 1 vorgespannt ist und der Bewegung der Membran 1 von der Saughubendstellung in Druckhubrichtung folgt. Diese Folgebewegung findet jedoch lediglich über einen solchen Bereich statt, der beispielsweise 30 - 40 % des anfänglichen Membrandruckhubes beträgt, da der Steuerschieber 19 an seinem kolbenseitigen Ende einen Anschlag 28 - beispielsweise in Form eines Seegerringes - aufweist, der mit einem entsprechenden, im Kolbenarbeitsraum 5 vorgesehenen Bund 29 zusammenwirkt und den Verschiebeweg des Steuerschiebers 19 in Richtung des Membrandruckhubes begrenzt.
An einer bestimmten Stelle des Umfangs des Steuerschiebers 19 ist eine umlaufende Nut 30 vorgesehen, die in der Saughubendstellung der Membran 1 (Fig. 5) die Verbindung zwischen dem Schnüffelventil 16 der Leckergänzungseinrichtung und dem Hydraulikraum 5, 9 - über die Kanäle 18, 8 - herstellt.
Am kolbenseitigen Ende des Steuerschiebers 19 ist ein zweites Steuerventil 20 vorgesehen. Dieses ist, wie im einzelnen deutlich aus Fig. 2 ersichtlich, als Tellerventil ausgebildet und weist einen schalenartigen Ventilteller 21, einen hiermit verbundenen Ventilstößel 22 sowie eine Druckfeder 24 auf, die sich in der dargestellten Weise am Steuerschieber 19 abstützt und das zweite Steuerventil 20 in Richtung zur Membran 1 vorspannt. Der Ventilstößel 22 ist verschiebbar im Steuerschieber 19, koaxial zu diesem, geführt und liegt mit seinem membranseitigen Ende aufgrund der Wirkung seiner Druckfeder 24 stets der Membran 1 an, so daß er die Membran 1 auf dem gesamten Membranhub abtastet. Der Ventilteller 21 ist derart ausgebildet, daß er in der Grenzposition der Membrandruckhubendstellung den bzw. die Verbindungskanäle 8 verschließt (s. Fig. 4).
Das membranseitige Ende des Steuerschiebers 19 ist als Stützteller 31 ausgebildet. Dieser ist so geformt, daß seine Stirnfläche 10' zusammen mit der zugeordneten Stirnfläche 10 des Pumpenkörpers 2 und der Stirnfläche 10'' des membranseitigen Endes des Ventilstößels 22 eine nahezu spaltfreie mechanische Abstützfläche für die Membran 1 in deren Saughubendstellung bildet. Diese Abstützfläche 10, 10', 10'' ist der natürlichen Membrangeometrie angepaßt, wobei von besonderer Bedeutung ist, daß sie völlig bohrungsfrei ausgebildet ist.
In der zusammengedrückten Stellung des Steuerschiebers 19 ist der Stützteller 31 in einer entsprechenden Bohrung 32 des Pumpengehäuses 2 aufgenommen, wobei es jedoch nicht erforderlich ist, daß der Stützteller 31 dem durch die Bohrung 32 gebildeten Sitz dicht anliegt. Es muß lediglich gewährleistet sein, daß durch sämtliche der erwähnten Stirnflächen 10, 10', 10'' die beschriebene mechanische Abstützfläche für die Membran 1 in deren Saughubendstellung gebildet ist.
Hinsichtlich der beiden Druckfedern 23, 24, die den Steuerschieber 19 bzw. den Ventilstößel 22 in Richtung zur Membran 1 vorspannen, ist noch auszuführen, daß die den Ventilstößel 22 am Steuerschieber 19 abstützende Druckfeder 24 schwächer ist als die den Steuerschieber 19 am Pumpengehäuse 2 abstützende Druckfeder 23.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist im Pumpenkörper 2 schließlich noch ein Druckbegrenzungsventil 27 vorgesehen, das einerseits über einen Kanal 33 mit dem Kolbenarbeitsraum 5 und andererseits über einen Kanal 34 mit dem Hydraulikvorratsraum 7 in Verbindung steht. Dadurch kann dann, wenn der Ventilteller 21 im Fall der in der Druckhubgrenzstellung befindlichen Membran 1 die Verbindungskanäle 8 zwischen dem Kolbenarbeitsraum 5 und dem Membranarbeitsraum 9 verschlossen hat, überschüssige Hydraulikflüssigkeit aus dem Kolbenarbeitsraum 5 über das Druckbegrenzungsventil 27 in den Vorratsraum 7 zurückgeschoben werden.
Wenn die beschriebene Membranpumpe aus einem Ruhezustand, beispielsweise nach einer Betriebspause, in Betrieb genommen wird und hierbei mit ihren einschlägigen Konstruktionsteilen die Stellung gemäß Fig. 1 oder 2 aufweist, wird der Verdrängerkolben 6 nach rechts bewegt, um den Saughub durchzuführen. Hierbei legt sich die Membran 1 in der Saughubendstellung, wie aus Fig. 5 ersichtlich, der mechanischen Abstützfläche 10, 10', 10'' an, die durch die Stirnflächen des Pumpenkörpers 2, des Stütztellers 31 und des membranseitigen Endes des Ventilstößels 22 gebildet ist. In dieser Saughubendstellung der Membran 1 befinden sich der Steuerschieber 19 mit seinem membranseitigen Stützteller 31 sowie der Ventilstößel 22 in der zusammengedrückten Position, in der die vorerwähnten Stirnflächen 10, 10', 10'' die beschriebene, der Membranform angepaßte Abstützfläche bilden. Die Membran 1 wird somit in ihrer Saughubendstellung vollständig mechanisch abgestützt und kann mit dem vollen Förderdruck angedrückt werden, ohne Schaden zu erleiden.
In dieser Stellung bzw. in der darüber hinausgehenden Grenzstellung stellt auch die Umfangsnut 30 des Steuerschiebers 19 die der Leckergänzung dienende Verbindung zwischen dem Hydraulikvorratsraum 7 und dem Hydraulikraum 5, 9 her, und zwar über den Kanal 17, das Schnüffelventil 16, den Kanal 18 und den bzw. die Verbindungskanäle 8.
Wenn dann der Verdrängerkolben 6 zur Durchführung des Druckhubes nach links gemäß Fig. 5 bewegt wird, führt auch die Membran 1 aufgrund des sie im Hydraulikraum 5, 9 beaufschlagenden Hydraulikmediums den Druckhub durch, und zwar bis in die der Normalposition entsprechende Druckhubendstellung gemäß Fig. 3. Hierbei folgt der unter der Wirkung der Druckfeder 23 stehende Steuerschieber 19 der Membran 1 lediglich über eine Wegstrecke, die etwa 30 - 40 % des gesamten Membrandruckhubes entspricht, da dann der Anschlag 28 des Steuerschiebers 19 am gehäuseseitigen Bund 29 anschlägt und somit den Verschiebeweg des Steuerschiebers 19 begrenzt.
Demgegenüber tastet der Ventilstößel 22, der unter der Vorspannung der Druckfeder 24 steht, die Membran 1 auf deren gesamten Druckhub ab. Hierbei läuft der Ventilstößel 22 gleichsam leer mit, solange die Membran 1 in ihrem vorgegebenen Hubbereich arbeitet. Dies bedeutet, daß in der normalen Druckhubendstellung der Membran 1 der Ventilstößel 22 eine solche Stellung aufweist, daß der Ventilteller 21 die Verbindungskanäle 8 zwischen dem Kolbenarbeitsraum 5 und dem Membranarbeitsraum 9 nicht verschließt.
Wenn demgegenüber jedoch die Membran 1 den vorgesehenen Arbeitsbereich um einen bestimmten Betrag, beispielsweise um 20 % des normalen Membranhubes, in Richtung Förderraum 4 verläßt und somit in ihrer Druckhubendstellung eine die Normalposition überschreitende Grenzposition einnimmt, ergibt sich eine Stellung gemäß Fig. 4, in welcher der Ventilteller 21 den bzw. die Verbindungskanäle 8 zwischen Kolbenarbeitsraum 5 und Membranarbeitsraum 9 verschlossen hat. Hierdurch ergibt sich eine rein hydraulische Membranwegbegrenzung in der Druckhubgrenzstellung, so daß die Membran 1 nicht weiter in Richtung des Förderraums 4 verformt werden kann und zuverlässig vor Überdehnungen gesichert ist. Die im Kolbenarbeitsraum 5 vorhandene überschüssige Hydraulikflüssigkeit wird über das Druckbegrenzungsventil 27 sowie die Kanäle 33, 34 in den Vorratsraum 7 zurückgeschoben.
Zur Durchführung des Saughubes wiederholt sich dann der einleitend beschriebene Vorgang mittels der nach rechts erfolgenden Verschiebebewegung des Verdrängerkolbens 6, und zwar solange, bis die Membran 1 in der Saughubendstellung der Abstützfläche 10, 10', 10'' anliegt und sich dort vollkommen mechanisch abstützt.
Bei dem in Fig. 6 lediglich des Beispiels halber dargestellten Störungsfall hat sich der Steuerschieber 19 in seiner Führungsbohrung, beispielsweise aufgrund von Schmutzeinwirkung, festgesetzt, und zwar derart, daß er dauernd in einer geöffneten Position bleibt. Dies bedeutet, daß seine Umfangsnut 30 ständig in Verbindung mit dem Kanal 18 steht, so daß die Leckergänzungsverbindung zwischen Vorratsraum 7 und Hydraulikraum 5, 9 - über die Kanäle 17, 18, 8 und das Schnüffelventil 16 - fortlaufend offen ist. Obschon hierbei ein unkontrolliertes Anschnüffeln von Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikraum 5, 9 möglich ist, wird jedoch aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung zuverlässig ein Membranschaden verhindert. Dies wird durch das zweite Steuerventil 20 bewirkt, dessen Ventilteller 21 beim nächsten Druckhub der Membran 1 in deren Druckhubgrenzstellung die Verbindungskanäle 8 verschließt, so daß sich dadurch die hydraulische Membranwegbegrenzung in der Druckhubgrenzstellung ergibt. Auch hierbei wird dann die überschüssige Hydraulikflüssigkeit aus dem Kolbenarbeitsraum 5 über das Druckbegrenzungsventil 27 in den Vorratsraum 7 abgeführt. Die geschilderte Störung läßt sich aufgrund des verstärkten Ansprechens des Druckbegrenzungsventils 27 sowie aufgrund der verminderten Pumpenleistung leicht und rechtzeitig erkennen, so daß die Störung sofort behoben werden kann.
Bei der abgewandelten Ausführungsform der Membranpumpe gemäß Fig. 7 ist im Pumpengehäuse 2 eine Entlüftungsbohrung 25 vorgesehen, die vom geodätisch höchsten Punkt des Membranarbeitsraumes 9 bis zum kombinierten Druckbegrenzungs- und Gasaustragventil 27 verläuft. Am ventilseitigen Ende weist die Entlüftungsbohrung 25 ein Rückschlagventil 26 auf. Dieses ist derart vorgespannt bzw. angeordnet, daß es die gewünschte Entlüftung des Membranarbeitsraums 9 ermöglicht, d.h. eine Steuerung vom Membranarbeitsraum 9 zum Gasaustragsventil 27 zuläßt. Demgegenüber verhindert das Rückschlagventil 26 bei geschlossenem zweitem Steuerventil 20 eine Bypaßströmung vom Kolbenarbeitsraum 5 zum Membranarbeitsraum 9.
Die weiterhin abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 8 stellt eine gegenüber der zuvor beschriebenen Konstruktion vereinfachte Ausführung dar, und zwar insofern, als das zweite Steuerventil 20 lediglich aus dem scheibenartig ausgebildeten Ventilteller 21 besteht, d.h. also keinen gesondert im Steuerschieber 19 geführten, unter Wirkung einer Druckfeder stehenden Ventilstößel aufweist. Der Ventilteller 21 ist fest mit dem kolbenseitigen Ende des Steuerschiebers 19 verbunden und derart angeordnet bzw. dimensioniert, daß er gleichfalls in der einer Grenzposition entsprechenden Druckhubendstellung der Membran 1 die Verbindungskanäle 8 zwischen Kolbenarbeitsraum 5 und Membranarbeitsraum 9 verschließt. Die jeweilige Membranlage wird lediglich durch den unter der Wirkung der Druckfeder 23 stehenden Steuerschieber 19 bzw. durch dessen Stützteller 31 abgetastet, wobei sich ansonsten dieselben vorteilhaften Effekte wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ergeben.
In der Saughubendstellung der Membran 1 wird die Leckergänzung des Hydraulikraums 5, 9 über eine im Steuerschieber 19 vorgesehene Axialbohrung 35 bewirkt, die einerseits durch den Ventilteller 21 hindurch in den Kolbenarbeitsraum 5 ausmündet und andererseits über einen radial verlaufenden Bohrungsabschnitt 36 mit dem Kanal 18 bzw. dem Schnüffelventil 16 in Verbindung steht.
Hinsichtlich vorstehend nicht im einzelnen näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im übrigen ausdrücklich auf die Zeichnung sowie auf die Ansprüche verwiesen.

Claims

Hydraulisch angetriebene Membranpumpe mit einer randseitig zwischen einem Pumpenkörper und einem Pumpendekkel eingespannten Membran, die einen Förderraum von einem Hydraulikraum trennt, wobei der Hydraulikraum in einen Membranarbeitsraum und einen hiermit über wenigstens einen Verbindungskanal verbundenen Kolbenarbeitsraum unterteilt ist,
einem hydraulischen Membranantrieb in Form eines oszillierenden Verdrängerkolbens, der im Pumpenkörper zwischen einem Vorratsraum für die Hydraulikflüssigkeit und dem Kolbenarbeitsraum verschiebbar ist,

und mit einer membranlagengesteuerten Leckergänzungseinrichtung, die ein Steuerventil mit einem im Bereich des Verbindungskanals zwischen Membranarbeitsraum und Kolbenarbeitsraum verschiebbar geführten Steuerschieber aufweist, der in bzw. jenseits der Saughubendstellung der Membran eine Verbindung vom Vorratsraum zum Kolbenarbeitsraum öffnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerschieber (19) der Leckergänzungseinrichtung an seinen beiden Enden mit Einrichtungen (31; 20) zur Hubwegbegrenzung der freischwingend eingespannten Membran (1) versehen ist derart,

daß der Steuerschieber (19) an seinem membranseitigen Ende einen Stützteller (31) aufweist, der so ausgebildet ist, daß er zusammen mit der zugeordneten Pumpenkörperfläche (10) des Membranarbeitsraumes (9) eine der natürlichen Membrangeometrie angepaßte, nahezu spaltfreie mechanische Abstützfläche (10, 10', 10'') für die Membran (1) in deren Saughubendstellung bildet,

und daß der Steuerschieber (19) an seinem kolbenseitigen Ende ein zweites Steuerventil (20) mit einem Ventilglied (21) aufweist, das in bzw. jenseits der Druckhubendstellung der Membran (1) die hydraulische Verbindung vom Kolbenarbeitsraum (5) zum Membranarbeitsraum (9) unterbricht.
Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Abstützfläche (10, 10', 10'') für die Membran (1) in deren Saughubendstellung bohrungsfrei ausgebildet ist.
Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Steuerventil (20) ein Tellerventil ist, dessen als Ventilteller (21) ausgebildetes Ventilglied in der Druckhubgrenzstellung der Membran (1) den bzw. die Verbindungskanäle (8) verschließt.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (21) des zweiten Steuerventils (20) am einen Ende eines Ventilstößels (22) befestigt ist, der verschiebbar im Steuerschieber (19) des ersten Steuerventils, koaxial zu diesem, geführt ist und mit seinem anderen Ende unter Federkraft der Membran (1) anliegt, so daß er die Membran (1) auf dem gesamten Membranhub abtastet.
Membranpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (19) des ersten Steuerventils in Richtung der Membran (1) durch eine Feder (23) vorgespannt ist, die stärker ist als die den Ventilstößel (22) des zweiten Steuerventils (20) vorspannende Feder (24).
Membranpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ventilstößel (22) des zweiten Steuerventils (20) vorspannende Feder (24) am Steuerschieber (19) abgestützt ist.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (19) an seinem kolbenseitigen Ende einen Anschlag (29) aufweist, der den Verschiebeweg des Steuerschiebers (19) in Richtung des Membrandruckhubes begrenzt.